磷酸镓晶体的本征点缺陷研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 2.36MB 36 页 15积分

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摘要

GaPO4晶体由于其晶体结构和 α-SiO2的高度相似而有很多重要的应用价值，

作为一种良好的压电材料，它在几乎保留了石英晶体的全部优点外还克服了石英

晶体在高温高压下会发生相变的缺点。人们对于其在 P3121 空间群下表现出

的较高的压电耦合系数和高温下的热稳定性尤其感兴趣。

从上世纪 80 年代开始，人们便开始对这一晶体展开深入的研究，然而遗憾的

是，这些研究大多关于晶体制备，作为一种具有广泛应用前景的材料，除了 GaPO4

在生成过程中会引入-OH 的报道之外，我们几乎找不到对于 GaPO4缺陷机理的深

入研究，而晶体中的缺陷往往会对材料的性质产生不可忽略的影响，而且关于晶

体的光学性质数据以及缺陷对材料重要参数的影响的报道也特别的少，只有少数

的实验测量数据，缺乏严格的理论计算，因此本文希望从模拟计算的角度对磷酸

镓晶体的缺陷问题及其所引起的光学性质的变化进行深入的研究。

本文由五部分构成：GaPO4晶体研究背景的介绍(第一章)；模拟计算的理论方

法及软件介绍(第二章)；GaPO4晶体物理性质及本征点缺陷的研究(第三章)；含氧

空位的 GaPO4晶体的模拟计算(第四章)；全文总结(第五章)。

第一部分，绪论。介绍 GaPO4晶体的研究背景，包括晶体的制备、晶体的缺

陷光谱研究、晶体的模拟计算研究以及本文的主要研究内容。

第二部分，介绍密度泛函理论和平面波赝势方法，介绍本文所使用的两个模

拟软件 GULP 和CASTEP。

第三部分，利用晶格动力学软件 GULP 对GaPO4晶体的力学性质、热学性质

及其本征点缺陷进行研究，结果表明氧空位和氧的弗伦克尔缺陷在晶体中较容易

形成，而镓的弗伦克尔缺陷则为晶体中最主要的缺陷，同时利用 CASTEP 软件计

算完整晶体的电子结构。

第四部分，使用 CASTEP 软件模拟含氧空位的 GaPO4晶体的电子结构和光学

性质，并与完整晶体相比较。

第五部分，全文总结。

关键词：磷酸镓晶体热力学性质本征缺陷氧空位电子结构光学性

质

ABSTRACT

GaPO4 crystal has a lot of important value because of its crystal structure is

remarkably similar to α-SiO2, as a good piezoelectric material, the advantages of the

quartz crystal almost been retained, and it overcome the disadvantage of quartz occurs

α-β phase transition at high temperature and high pressure. People are particularly

interested in its high piezoelectric coupling coefficient and high temperature thermal

stability in P3121 space group.

People began to research this crystal since the 1980s. However, most of these

studies are about crystal grown. As a material for a broad application prospects, we

can’t find the mechanism of in depth study about GaPO4 defects but to introduce –OH

during the grown process, as we all know, defects in the crystal always bring effects to

properties of material. At the same time, data on optical of these crystals or studies into

the effect of defects on most significant parameters of these materials are very scarce,

only a small number of experimental data but lack of rigorous theoretical calculation.

Therefore, this work hopes to conduct in depth research about the defects in GaPO4

crystal and the change of the optical properties from a simulation perspective.

The thesis consists of five sections:

Section 1: Introduction. In this section, we introduce the research background and

situation of GaPO4 crystal at home and abroad. Including the grown method,

spectroscopy of defects in GaPO4 crystal, simulate study of the crystal and

the main works of this paper.

Section 2: Theoretical basis. It includes the Density Function Theory combined with

plane wave and pseudo-potential method and codes discussed in this paper,

GULP and CASTEP.

Section 3: The mechanical properties, thermal properties and intrinsic defects of GaPO4

crystal have been studies by GULP, The calculated results indicate that the

oxygen vacancy and oxygen Frenkel disorders are easily formed, but the

gallium Frenkel disorders are the main intrinsic defects in GaPO4 crystal. At

the same time, use the CASTEP code to calculate the electrical structure of

perfect GaPO4 crystal.

Section 4:Calculation of the electronic structures and optical properties of GaPO4

crystal containing oxygen vacancy by CASTEP.

Section 5: Conclusion of the thesis.

Key Words: GaPO4 Crystal, Thermal and Mechanical Properties,

Intrinsic Defects, Oxygen Vacancy, Electronic Structures, Optical

Properties.

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

1.1 引言 ....................................................... 1

1.2 GaPO4晶体的研究现状 ...................................... 1

1.2.1 GaPO4晶体的制备 ....................................... 1

1.2.2 GaPO4晶体的缺陷光谱研究 .............................. 2

1.2.3 GaPO4晶体的模拟计算研究 .............................. 4

1.3 本工作的主要任务和目的 ..................................... 5

第二章模拟计算的理论方法及软件介绍 .............................. 6

2.1 密度泛函理论 ............................................... 7

2.2 GULP 计算软件介绍 .......................................... 9

2.3 CASTEP 软件介绍 ........................................... 9

第三章 GaPO4晶体物理性质及本征点缺陷的研究 ..................... 11

3.1 势参数的拟合 .............................................. 12

3.2 理想 GaPO4晶体的力学性质 .................................. 13

3.3 理想 GaPO4晶体的热学性质 .................................. 14

3.4 理想 GaPO4晶体的电子结构 .................................. 16

3.5 计算 GaPO4晶体的本征缺陷 .................................. 17

3.6 结论 ...................................................... 19

第四章含氧空位的 GaPO4晶体的模拟计算 ........................... 20

4.1 计算模型 .................................................. 20

4.2 晶格弛豫 ................................................. 20

4.3 电子结构 .................................................. 21

4.4 吸收光谱 .................................................. 25

4.5 发光和吸收之间的关系 ..................................... 28

4.6 结论 ...................................................... 28

第五章全文总结 ................................................. 29

参考文献 ........................................................ 30

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................. 33

致谢 ............................................................ 34

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摘要：

摘要GaPO4晶体由于其晶体结构和α-SiO2的高度相似而有很多重要的应用价值，作为一种良好的压电材料，它在几乎保留了石英晶体的全部优点外还克服了石英晶体在高温高压下会发生相变的缺点。人们对于其在P3121空间群下表现出的较高的压电耦合系数和高温下的热稳定性尤其感兴趣。从上世纪80年代开始，人们便开始对这一晶体展开深入的研究，然而遗憾的是，这些研究大多关于晶体制备，作为一种具有广泛应用前景的材料，除了GaPO4在生成过程中会引入-OH的报道之外，我们几乎找不到对于GaPO4缺陷机理的深入研究，而晶体中的缺陷往往会对材料的性质产生不可忽略的影响，而且关于晶体的光学性质数据以及缺陷对材料重要参数的...

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